DE644379C - Turbinenanlage zum Antrieb von Schiffen - Google Patents

Description

Beim Schiffsbetrieb sind zwei Betriebsarten zu unterscheiden, nämlich die sogenannte Marschfahrt und die Fahrt mit äußerster Kraft. Der Kraftbedarf während der letzteren beträgt ein Vielfaches (4- bis iofaches) der Marschfahrt, jedoch tritt er nur wähnend einer geringen Anzahl von Betriebsstunden," bezogen auf die Gesamtbetriebszeit eines Jahres, auf. Bei der Planung einer Schiffsanlage muß. also die Maschinenanlage für eine kleine Last bei höchster Wirtschaftlichkeit ausgelegt werden, während für die Fahrt mit äußerster Kraft höchste Leistung ohne Rücksicht auf einen besonders großen Wirkungsgrad sichergestellt werden muß. Unter richtiger Erkenntnis der Anforderungen an den Schiffsbetrieb ist nun folgender Vorschlag bereits gemacht worden. Die Maschinenanlage wird in eine rasch laufende Hodhdruckmaschinie und in eine langsamer laufende Niederdruckmaschine aufgeteilt. Die Hochdruckmaschine besitzt zwei Dampfauslässe, nämlich einen, der zum Kondensator führt, und einen zweiten von einer Zwischenstufe aus, der zur Niederdruckmaschine führt. Die Hochdruckmaschine steht nicht unmittelbar mit der Propellerwelle in Verbindung, sondern arbeitet auf einen Stromerzeuger, dessen zuge-.hörender Motor mit der Propellerwelle gekuppelt ist. Die Niederdruckturbine arbeitet unmittelbar auf die Propellerwelle. Bei Marschfahrt läuft die Niederdruckturbine leer im Vakuum mit oder wird überhaupt abgekuppelt. Die erforderliche Leistung wird ausschließlich durch die Hochdruckturbine erzeugt, die über den Stromerzeuger auf den Propellermotor arbeitet und als Kondensationsmaschine ihren Abdampf in den Kondensator schickt. Bei Fahrt mit äußerster Kraft werden die letzten Stufen der Hochdruckturbine abgeschaltet, und der Dampf strömt jetzt der Niederdruckturbine zu, welche die erforderliche große Leistung aufbringt. Zur Umkehr der Bewegungsrichtung des Schiffes kann entweder der elektrische Stromkreis der Hochdruckturbine umgeschaltet werden, während die Niederdruckturbine durch einen besonderen Rückwärtsteil umgesteuert wird, oder es wird von der elektrischen Umsteuerung abgesehen und dafür auch die Hochdruckturbine selbst umgesteuert.

Der eben beschriebene, an sich richtige Gedankengang, daß man beim Schiffsantrieb die Leistungserzeugung auf zwei dampfmäßig hintereinandergeschaltete Maschinenteile verteilen müsse, leidet an einem wesentlichen Mangel, und zwar deshalb, weil er nicht die für die Marschfahrt erforderliche Wirtschaftlichkeit ergibt, es sei denn, daß man eine im Rahmen der Gesamtanlage unzweckmäßige Form der Hochdruckturbine wählt. Es war bereits dargelegt, daß. die Marschfahrt der Wirtschaftlichkeitsberechnung zugrunde zu legen ist. Höchster Wirkungsgrad ist aber

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dr. Herbert Melan in Berlin-Siemensstadt und Otto Türk in Berlin-Halensee,

bekanntlich bei einer Turbine nur durch eine große Stufenzahl zu erreichen. Die Hochdruckturbine, die ja als Vbrschaltturbine läuft, ließe sich zwar mit einer großen Stuferizahl bauen, aber dann müßte man entgegen dem älteren Vorschlag vom Einzylindermodiejl; auf das Zweizylindermodell übergehen. Dar nun außerdem der Niederdruckteil für die Fahrt mit äußerster Kraft vorhanden sein ίο muß, so käme man, wenn man höchste Wirtschaftlichkeit haben wollte, mindestens zur Dreizylindermaschine. Hiervon könnte man im Schiffsbetrieb wegen der beschränkten Raumverhältnisse wahrscheinlich niemals Gebrauch machen. Die Einzylindermaschine, wie sie bei dem erwähnten älteren Vorschlag vorhanden sein soll, kann niemals den für eine wirtschaftliche Marschfahrt erforderlichen Wirkungsgrad ergeben. Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie besteht darin, daß die Hochdruckturbine bei allen Betriebsverhältnissen mit gleichbleibender Umlaufrichtung als Gegendruckturbine auf die Niederdruckturbine arbeitet. Weiter wird in bekannter Weise die Leistung von der Hochdruck- oder Marschturbine, wie sie im folgenden genannt sein mag, auf die Schraubenwelle durch Stromerzeuger und Motor übertragen. Ob die Niederdruckturbine oder Turbine für äußerste Kraftfahrt unmittelbar mit der Propellerwelle gekuppelt wird oder über ein Getriebe, ob man weiter den der Marschturbine zugeordneten Motor etwa über ein Getriebe auf die Propellerwelle arbeiten läßt oder ob man schließlich auch die Turbine für äußerste Kraftfahrt elektrisch und nicht mechanisch mit der Propellerwelle kuppelt, ist zunächst belanglos, wobei allerdings schon jetzt darauf hingewiesen werden soll, daß die elektrische Kupplung dieser Turbine insofern besonders zweckmäßig sein kann, als sie den Fortfall des Übersetzungsgetriebes ermöglicht. Sie kann dann entweder auf einen besonderen Propellermotor arbeiten, der neben dem Marschmotor vorgesehen ist, oder es wird für Marschstromerzeuger und Stromerzeuger für äußerste Kraftfahrt ein gemeinsamer Propellermotor vorgesehen. Während also diese Kupplungsfrage zunächst von untergeordneter Bedeutung ist, ist nun wesentlich, daß gemäß der Erfindung die Hochdruckturbine nicht, also auch nicht während der Marschfahrt, als Kondensationsturbine, sondern dauernd als Gegendruckturbine auf die Niederdruckturbinc arbeitet, d.h. im Gegensatz zu dem erläuterten älteren Vorschlag wird die Marschleistung nicht lediglich von der Marschturbine, sondern auch von der Turbine für äußerste Kraft aufgebracht, allerdings nur zu einem kleinen Bruchteil der Leistung der Marschturbine. Das Verhältnis wird nach vorläufigen Berechnungen etwa 1 : 5 sein, ohne daß diese Zahlenangabe eine Festlegung auf einen bestimmten Wert bedeuten soll. Diese dauernde dampfmäßige Verbindung von Marsch-.'iiirbine und Turbine für äußerste Kraft beiäeutet aber, daß ein Teil des Gefälles, das ,an sich der Märschturbine zukäme, in der Turbine für äußerste Kraftfahrt verarbeitet wird, daß also die Beschaufelung der letzteren die der Marschturbine ergänzt, so daß auf diese Weise die große zur Erzielung¹ eines hohen Wirkungsgrades erforderliche Stufenzahl geschaffen wird, die der Anlage nach dem älteren Vorschlag abgeht.

Wenn die Leistung einer Turbinenanlage gesteigert werden soll, so muß ein größeres Dampfgewicht in der Kraftmaschine Arbeit leisten. In der beschriebenen Anordnung würden Marschturbine und Turbine für äußerste Kraftfahrt eine Zweizylindermaschine darstellen, denen ganz bestimmte Lastanteile zugewiesen sind. Vergrößert man das in die Vorschaltturbine einzuführende Dampfgewicht, so steigt die Leistung der Vorschaltturbine in gleichem Maße wie die der nachgeschalteten Turbine. Da nun die Marschturbine für eine bestimmte Marschleistung berechnet ist, so würde die Übernahme von Leistung bei der Fahrt mit äußerster Kraft zu unübersehbaren Verhältnissen in der Marschturbine führen, denn die Leistung für äußerste Kraftfahrt ist ja, wie bereits gesagt, ein Vielfaches der Marschleistung. Man käme dann in erhebliche Schwierigkeiten bei der Auslegung der Maschine und wäre unter Umständen zu den Umständlichkeiten gezwungen, die vom Landbetrieb her bekannt sind, z. B. zur Einführung von Überlastdampf. Der Betrieb einer Anlage gemäß der Erfindung läßt sich nun wesentlich dadurch vereinfachen, daß man bei steigendem Kraftbedarf die Leistung, die aufzubringen ist, mehr und mehr auf die Niederdruckturbine überschiebt, so daß bei großem Kraftbedarf die Leistung der Hochdruekturbine nur einen kleinen Bruchteil der Leistung der Niederdruckturbine ausmacht. Würde man den prozentualen Lastanteil der beiden Turbinen über der Gesamtbelastung auftragen, so würde man für die Marschturbine eine fallende und für die Turbine für äußerste Kraftfahrt eine steigende Kurve erhalten. Es wird also nicht wie bei den Landanlagen die Lastverteilung beider Zylinder nach ähnlich verlaufenden Kurven geregelt, sondern im Gegenteil nach einer ent- ;egengesetzt verlaufenden Charakteristik. Ein einfaches Mittel hierzu bietet die Einführung einer Aufstauregelung in der Weise, daß mit steigender Leistung das Wärmegefälle der Marschturbine durch Erhöhung ihres Gegendruckes verringert wird. Man schaltet also

ζ. B. bei steigender Last in der Turbine für äußerste Kraftfahrt nicht Düsen zu, sondern im Gegenteil Düsen ab, so daß man den Drude vor dieser Turbine aufstaut.
Bisher ist man bestrebt gewesen, den Druck des Dampfes vor der Kraftmaschine im wesentlichen gleichzuhalten, während sich naturgemäß der Eintrittsdruck dabei ändern muß, denn durch einen gegebenen Querschnitt kann

ίο ja- bekanntlich eine größere Menge nur dann hindurchfließen, wenn der Anfangsdruck erhöht wird. Wenn der Druck vor der Kraftmaschine unabhängig von der Menge gleichbleibt, so erhält man, wenn man den Druck h über der Menge Q aufträgt, eine waagerechte Linie, d. h. die Charakteristik ist gleichblei-_ bend. Man kann nun wesentliche Vorteile erzielen, wenn man von dieser Charakteristik abgeht und dafür mit veränderlicher Charakteristik fährt. Man verändert die Dampfgewichte ohne wesentliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, da sich das spezifische Volumen annähernd im gleichen Maße verringert, wie der Druck ansteigt. Die Turbine wird dann praktisch zu einer Turbine gleichbleibenden Volumens im Gegensatz zu den bisherigen Bauformen, die grundsätzlich Turbinen gleichbleibenden Druckes sind. Das Wärmegefälle, das man unter Anwendung dieses Betriebsverfahrens in der Hochdruckturbine (Marschturbine) verarbeitet, ändert sich nicht oder jedenfalls nur wenig, so daß sich die Leistungsverschiebung von der Marschturbine auf die Turbine für äußerste Kraftfahrt, die oben erläutert wurde, in diesem Falle besonders einfach gestaltet.

Die Verwendung einer als Gegendruckmaschine auf eine Niederdruckturbine arbeitenden Vorschaltmaschine für höheren Druck erscheint insbesondere auch deshalb zweckmäßig, weil es auf diese Weise möglich ist, eine vorhandene Niederdruckanlage durch Aufstellung von Hochdruckkesseln und einer Vorschaltturbine in eine neuzeitliche Maschinenanlage erhöhter Leistung umzuwandeln.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Verwendung einer Hochdruckturbine, die als Gegendruckturbine auf die Niederdruckturbine arbeitet, in anderem Zusammenhang für den Schiffsbetrieb vorgeschlagen ist, und zwar in Verbindung mit zwei Wellenantrieben. Hier ist diese dampfinäßige Hintereinanderschaltung der beiden Turbinen unbedingt erforderlich, wenn ein geordneter Betrieb- aufrechterhalten werden soll. Bei Antrieben, bei denen Hochdruck- und Niederdruckturbinen für dieselbe Maschinenwelle vorgesehen sind, hat man die Dampfschaltung gemäß der Erfindung, wie eingangs dargelegt wurde, bisher noch nicht gekannt.

In' den beiden Schaltbildern Abb. 1 und 2 sind zwei Schaltungsmöglichkeiten- der neuen Anlage beispielsweise dargestellt. In beiden Abbildungen bezeichnet 1 die Kesselanlage, 2 die Marschturbine, 3 die Turbine für äußerste Kraftfahrt, 4 die Propellerwelle, 5 den Propellermotor. Bei der Anlage nach Abb. ι ist die Turbine 3 unmittelbar mit der Propellerwelle 4 gekuppelt, auf' welcher der Propellermotor 5 sitzt. Eine ausrückbare Kupplung 6 ermöglicht ein Stillsetzen der Turbine 3, insbesondere bei Rückwärtsfahrt. Die Turbine 3 braucht also keinen Teil für Rückwärtsfahrt zu enthalten. Da sie stillsteht, wird während der Rückwärtsfahrt der Abdampf der Marschturbine 2 über die Leitung 7 unmittelbar zürn Kondensator 8 abgeführt. Die Leitung 7 kann durch ein Ventil 9 abgesperrt werden. Die Marschturbine 2 ist nicht mechanisch, sondern elektrisch mit der Propellerwelle 4 gekuppelt, und zwar über einen Stromerzeuger 10. Mit 11 ist eine Vorrichtung zur Umpolung des Motors 5, d. h. zum Drehrichtungswechsel, angedeutet, während der Teil 12 einen Polumschalter für den Motor 5 andeuten soll. Da im Schiffsbetrieb normalerweise keine selbsttätige, sondern eine Handregelung angewendet wird, so ist für die Regelventile 13 und 14 eine Handverstellung vorgesehen. Naturgemäß hat die Art der Regelung keinen Einfluß auf das Betriebsverfahren als solches.

Die Schaltung nach der Abb. 2 unterscheidet sich insofern von der nach der Abb. 1, als auch für die Turbine 3 eine elektrische Kupplung mit der Propellerwelle 4, und zwar über einen Stromerzeuger 15, vorgesehen ist.

Bei beiden Anlagen ist ferner eine Umgehungsleitung 16 angedeutet, die dazu dienen soll, die Turbine 3 unmittelbar mit Frischdampf zu versorgen, falls ihr Betrieb mit Gegendruckdampf der Maschine 2 nicht möglich sein sollte.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Turbinenanlage zum Antrieb von Schiffen mit mindestens einer Hochdruck- und mindestens einer Niederdruckturbine, deren Leistungen an einer Schraubenwelle zusammengefaßt sind, wobei die Hochdruckturbine über Stromerzeuger und Motor auf die gemeinsame Schraubenwelle arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckturbine bei allen Betriebsverhältnissen mit gleichbleibender Umlaufrichtung als Gegendruckturbine auf die Niederdruckturbine arbeitet.

2. Turbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckturbine mit einer Aufstauregelung

versehen ist, um mit steigender Belastung der Anlage das Wärmegefälle der Hochdruckturbine und damit deren Leistungsanteii an der Gesamtleistung durch Erhöhung ihres Gegendruckes zu verringern, während der Leistungsanteil der Niederdruckturbine gesteigert wird.

3. Turbinenanlage nach Anspruch 1, bei welcher einer Hochdruckturbine eine Mehrzahl von Niederdruckturbinen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Hochdruckturbine so viel Stromerzeuger gekuppelt sind, als Niederdruckturbinen vorhanden sind, zum Zwecke, die einzelnen Turbinenwellen unabhängig voneinander von ihren Stromerzeugern aus regeln zu können.

4. Turbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Hochdruckturbine zuströmende sekundliche Dampfmenge (Vm³/Sek.) bei allen Belastungen gleichbleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen